Untersuchungen zum Brandverhalten von Kunststoffbahnenwaren

AUSGANGSSITUATION

Kunst­stoff­bahnen­waren finden in zahl­reichen Bereichen unseres all­täglichen Lebens Anwendung. Beispiels­weise im Bau­wesen in Form von Fußboden­belag oder Wand­verkleidung, als Interieur in Auto­mobilen, Flug­zeugen oder anderen Fahr­zeugen und als Polster- und Bezugs­materialien für öffentliche oder private Einrichtungen. Dabei stehen Kunst­stoff­bahnen aus Polyurethan (PUR) immer mehr im Fokus, da diese als halogen­freie Alternativen zu PVC-basierten Produkten dienen können. PUR weist jedoch eine hohe Brennbar­keit auf und stellt im Brand­fall bei unzureichendem Flamm­schutz eine bedeutende Gefahren­quelle dar.

PROJEKTZIEL

Mit dem Forschungs­vorhaben sollten Zusammen­hänge zwischen der Wirkungs­weise von Flamm­schut­zmitteln (FSM) in dünnen, flexiblen Materialien und den verschiedenen Brand­prüf­konzepten erarbeitet werden.

LÖSUNGSWEG

Zunächst wurden Versuche mit Modell­folien durch­geführt, welche eine Funktions­schicht des Verbund­materials Kunst­leder darstellen. Dafür wurde ein umfang­reiches Proben­set bestehend aus vier verschiedenen PUR‑Systemen (zwei High Solids, zwei wässrige Dispersionen) und sechs FSM erstellt. Die FSM wurden in zwei verschiedenen Konzen­tra­tionen eingesetzt (10 / 30 phr) und die Folien in kompakter bzw. geschäumter Form ange­fertigt. Weiter­hin wurden Zusammen­hänge zwischen thermo­analytischen Methoden wie TGA und DSC mit typischen Brand­prüfungen heraus­gearbeitet.

ERGEBNISSE

Die Modellfolien wurden mit Brand­prüf­methoden (horizontales Brenn­verhalten, LOI, Cone-Kalorimetrie) charakteri­siert. Dabei stellte sich entgegen den Erwartungen heraus, dass FSM enthaltende Folien überwiegend besser brennen. Dies galt für FSM verschiedenster Material­klassen (organisch, anorganisch, mineralisch) und verschiedenster Wirkungs­weisen (Radikal­fänger, Charing, Kühlung). Zur Aufklärung dieser unerwarteten Ergebnisse wurden thermo­analytische Methoden angewandt. Dabei lieferten insbesondere die TGA sowie die ETV (Elektro­thermisches Verdampfen)-ICP-OES aussage­kräftige Ergebnisse. Mit diesen beiden Methoden wurde fest­gestellt, dass FSM erst bei höheren Temperaturen als das Polymer (PUR) zersetzt werden und somit bspw. keine Kühlung oder Radikalfänger-Reaktion statt­finden kann.

Bei den Untersuchungen der Verbund­materialen zeigte sich das erwartete Verhalten. Hier zersetzte sich das FSM bei geringeren bzw. gleichen Temperaturen wie das Polymer. Auch mit den Brand­prüfungen wurde die Wirkung der FSM nachgewiesen. Wie die Abbildung zeigt, sind die LOI-Werte der FSM-enthaltenden Kunst­leder höher als vom Kunst­leder ohne FSM. Mit steigender FSM-Konzentration steigt auch der LOI-Wert. Keine Rolle spielte, ob der Zwischen­strich des Kunst­leders kompakt oder geschäumt vorlag.

Von beiden Forschungs­einrichtungen wurden zahlreiche Methoden zur Charakteri­sierung des Brand- und Zersetzungs­verhaltens angewandt. Aufgrund der geringen Proben­dicke mussten viele Methoden angepasst und optimiert werden. Einige Methoden, wie bspw. die Bestimmung der Zündtemperatur, stellten sich als ungeeignet heraus. Die Ergebnisse der Thermo­analyse­systeme konnten nicht mit­einander korreliert werden. Hingegen war eine Korrelation der Brand­prüf­methoden gut möglich.

Mit Hilfe der TGA können zukünftig Voraus­sagen getroffen werden, ob ein FSM wirkt oder nicht, aber nicht in welchem Maße. Entscheidend ist, dass das Verbund­material geprüft wird, da die Ergebnisse der Einzel­schichten keine Überein­stimmung mit denen der Verbunde zeigen.

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